Les découvertes de l'année
BUS quantique: tout le monde à bord!
Grâce aux travaux d’Alexandre Blais, l’architecture interne de l’ordinateur quantique commence à prendre forme.
Par Thomas Gervais
L’ordinateur quantique, c’est la grande quête des physiciens et des informaticiens d’aujourd’hui. Et pour cause; celui qui parviendra à créer un tel ordinateur aura entre les mains une machine d’une puissance de calcul inouïe (voir l’encadré). Mais encore faut-il savoir comment le construire! C’est à cette tâche que s’est attelé Alexandre Blais.
Dès 2004, le jeune théoricien, professeur à l’Université de Sherbrooke, a imaginé une façon de recréer l’équivalent quantique d’une des pièces maîtresses des ordinateurs modernes: le BUS (Bidirectional Universal Switch). Plutôt que des passagers, le BUS informatique convoie des bits d’information de la mémoire vers le processeur, et vice versa, dans un continuel aller-retour rappelant la circulation dans nos rues.
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review, celle-là même où Einstein a dévoilé ses travaux il y a un siècle. La découverte a eu un impact majeur. «De nombreux scientifiques de partout dans le monde se sont intéressés à nos BUS quantiques et essaient maintenant de les fabriquer», explique le physicien.
Une des méthodes les plus prometteuses quant à la construction des ordinateurs quantiques consiste à déposer sur une plaque de silicium une série de petits circuits d’aluminium alignés les uns à côté des autres. Ces circuits sont ensuite refroidis à une température proche du zéro absolu pour devenir supraconducteurs. Dans ces conditions, ils possèdent deux états d’énergie possibles, «excité» ou «au repos», rappelant les deux états (0 et 1) d’un bit encodé dans la mémoire d’un ordinateur. Un qubit (bit quantique) peut transférer son information vers un autre qubit en émettant un photon. Lorsqu’on augmente la quantité de qubits communiquant ainsi entre eux, il devient envisageable de créer des opérations logiques sur cette espèce de boulier quantique et, au bout du compte, de résoudre des problèmes complexes.
Avant les travaux d’Alexandre Blais, les qubits ne pouvaient interagir qu’avec leurs proches voisins. Par exemple, pour transmettre le message d’un premier qubit d’une séquence avec le douzième, tous les autres, de 2 à 11 devaient se passer le mot. Difficile de transmettre une information efficacement dans cette version quantique du jeu du téléphone! De plus, les qubits ainsi disposés sont très sensibles au «bruit» formé par les fluctuations électriques. En fait, ils sont si timides qu’ils ont la fâcheuse habitude de perdre toute utilité informatique dès qu’ils subissent une influence extérieure.
Pour faciliter la communication entre qubits, l’équipe dont faisait partie Alexandre Blais a entrepris de fabriquer un BUS quantique en laboratoire. Les minuscules circuits supraconducteurs servant à fabriquer les qubits sont disposés le long d’un mince fil d’aluminium d’environ 1 cm de longueur et 300 nanomètres d’épaisseur. Lorsque deux qubits désirent échanger de l’information directement, un photon est émis dans le fil d’aluminium qui agit comme guide vers son destinataire. Comme un photon peut demeurer prisonnier près d’une milliseconde – un temps interminable à l’échelle quantique – plusieurs bits d’information arriveraient à être échangés simultanément par les atomes, et de vrais calculs deviendraient alors possibles.
Ces résultats spectaculaires sont parus cette année dans deux articles successifs de la revue Nature. Pour l’instant, l’équipe a fait la démonstration de son principe avec deux qubits. À peine assez d’espace de mémoire pour stocker un chiffre entre 1 et 4. Mais le système développé par Alexandre Blais possède un grand avantage: «Il n’y a pas de limite au nombre de qubits que l’on peut relier entre eux grâce aux BUS quantiques.» Reste à faire preuve d’ingéniosité pour trouver des manières d’assembler les qubits, un peu comme les ingénieurs qui, un jour, ont imaginé une méthode pour entasser des millions de transistors sur moins de 1 cm2.
L’ordinateur quantique pour les nuls
«Un ordinateur quantique n’est pas simplement un ordinateur plus rapide que nos machines actuelles. C’est un ordinateur qui “pense” différemment», explique Alexandre Blais. Alors qu’un bit classique ne peut posséder que la valeur «0» ou «1», un bit quantique (ou qubit) peut être simultanément «0» et «1». Ce n’est qu’au moment où on accède à l’information qu’il acquiert sa valeur finale. «C’est comme si la couleur de mes bas se décidait seulement au moment où je relève le bord de mon pantalon, explique le chercheur. Avant cette “mesure”, ils sont en fait de toutes les couleurs à la fois.» C’est cette propriété, dite de superposition d’états, qui donne à l’informatique quantique tout son potentiel.
Ainsi, avec un seul qubit, il devient possible de suivre deux raisonnements simultanément: «mes bas sont rouges ou mes bas sont blancs». Avec deux qubits, quatre raisonnements peuvent être ainsi suivis en parallèle. Avec trois qubits, huit (23) raisonnements, etc. Plusieurs spécialistes estiment qu’avec à peine 30 bits quantiques, un ordinateur pourra déjà réaliser de complexes simulations de dynamique moléculaire, très utiles dans l’industrie pharmaceutique. Et pourtant, ces 30 bits parviendraient à peine à encoder quatre lettres dans un fichier Word! Le superordinateur du futur, estime Alexandre Blais, devra donc être une sorte d’hybride doté d’un module «quantique» pour effectuer des analyses poussées, et d’une partie «classique» pour emmagasiner l’information.
Par Thomas Gervais
L’ordinateur quantique, c’est la grande quête des physiciens et des informaticiens d’aujourd’hui. Et pour cause; celui qui parviendra à créer un tel ordinateur aura entre les mains une machine d’une puissance de calcul inouïe (voir l’encadré). Mais encore faut-il savoir comment le construire! C’est à cette tâche que s’est attelé Alexandre Blais.
Dès 2004, le jeune théoricien, professeur à l’Université de Sherbrooke, a imaginé une façon de recréer l’équivalent quantique d’une des pièces maîtresses des ordinateurs modernes: le BUS (Bidirectional Universal Switch). Plutôt que des passagers, le BUS informatique convoie des bits d’information de la mémoire vers le processeur, et vice versa, dans un continuel aller-retour rappelant la circulation dans nos rues.
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review, celle-là même où Einstein a dévoilé ses travaux il y a un siècle. La découverte a eu un impact majeur. «De nombreux scientifiques de partout dans le monde se sont intéressés à nos BUS quantiques et essaient maintenant de les fabriquer», explique le physicien.
Une des méthodes les plus prometteuses quant à la construction des ordinateurs quantiques consiste à déposer sur une plaque de silicium une série de petits circuits d’aluminium alignés les uns à côté des autres. Ces circuits sont ensuite refroidis à une température proche du zéro absolu pour devenir supraconducteurs. Dans ces conditions, ils possèdent deux états d’énergie possibles, «excité» ou «au repos», rappelant les deux états (0 et 1) d’un bit encodé dans la mémoire d’un ordinateur. Un qubit (bit quantique) peut transférer son information vers un autre qubit en émettant un photon. Lorsqu’on augmente la quantité de qubits communiquant ainsi entre eux, il devient envisageable de créer des opérations logiques sur cette espèce de boulier quantique et, au bout du compte, de résoudre des problèmes complexes.
Avant les travaux d’Alexandre Blais, les qubits ne pouvaient interagir qu’avec leurs proches voisins. Par exemple, pour transmettre le message d’un premier qubit d’une séquence avec le douzième, tous les autres, de 2 à 11 devaient se passer le mot. Difficile de transmettre une information efficacement dans cette version quantique du jeu du téléphone! De plus, les qubits ainsi disposés sont très sensibles au «bruit» formé par les fluctuations électriques. En fait, ils sont si timides qu’ils ont la fâcheuse habitude de perdre toute utilité informatique dès qu’ils subissent une influence extérieure.
Pour faciliter la communication entre qubits, l’équipe dont faisait partie Alexandre Blais a entrepris de fabriquer un BUS quantique en laboratoire. Les minuscules circuits supraconducteurs servant à fabriquer les qubits sont disposés le long d’un mince fil d’aluminium d’environ 1 cm de longueur et 300 nanomètres d’épaisseur. Lorsque deux qubits désirent échanger de l’information directement, un photon est émis dans le fil d’aluminium qui agit comme guide vers son destinataire. Comme un photon peut demeurer prisonnier près d’une milliseconde – un temps interminable à l’échelle quantique – plusieurs bits d’information arriveraient à être échangés simultanément par les atomes, et de vrais calculs deviendraient alors possibles.
Ces résultats spectaculaires sont parus cette année dans deux articles successifs de la revue Nature. Pour l’instant, l’équipe a fait la démonstration de son principe avec deux qubits. À peine assez d’espace de mémoire pour stocker un chiffre entre 1 et 4. Mais le système développé par Alexandre Blais possède un grand avantage: «Il n’y a pas de limite au nombre de qubits que l’on peut relier entre eux grâce aux BUS quantiques.» Reste à faire preuve d’ingéniosité pour trouver des manières d’assembler les qubits, un peu comme les ingénieurs qui, un jour, ont imaginé une méthode pour entasser des millions de transistors sur moins de 1 cm2.
L’ordinateur quantique pour les nuls
«Un ordinateur quantique n’est pas simplement un ordinateur plus rapide que nos machines actuelles. C’est un ordinateur qui “pense” différemment», explique Alexandre Blais. Alors qu’un bit classique ne peut posséder que la valeur «0» ou «1», un bit quantique (ou qubit) peut être simultanément «0» et «1». Ce n’est qu’au moment où on accède à l’information qu’il acquiert sa valeur finale. «C’est comme si la couleur de mes bas se décidait seulement au moment où je relève le bord de mon pantalon, explique le chercheur. Avant cette “mesure”, ils sont en fait de toutes les couleurs à la fois.» C’est cette propriété, dite de superposition d’états, qui donne à l’informatique quantique tout son potentiel.
Ainsi, avec un seul qubit, il devient possible de suivre deux raisonnements simultanément: «mes bas sont rouges ou mes bas sont blancs». Avec deux qubits, quatre raisonnements peuvent être ainsi suivis en parallèle. Avec trois qubits, huit (23) raisonnements, etc. Plusieurs spécialistes estiment qu’avec à peine 30 bits quantiques, un ordinateur pourra déjà réaliser de complexes simulations de dynamique moléculaire, très utiles dans l’industrie pharmaceutique. Et pourtant, ces 30 bits parviendraient à peine à encoder quatre lettres dans un fichier Word! Le superordinateur du futur, estime Alexandre Blais, devra donc être une sorte d’hybride doté d’un module «quantique» pour effectuer des analyses poussées, et d’une partie «classique» pour emmagasiner l’information.